CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2. TÍNH CHẤT NHẠY HƠI ACETONE CỦA CẢM BIẾN ZnO-H VÀ
3.2.1.3. So sánh độ hồi đáp hơi acetone của cảm biến dựa trên cấu
trúc ZnO-H và cấu trúc NiO(4min)/ZnO-H
Độ đáp ứng của hai cảm biến được khảo sát cùng kiện tiếp xúc với acetone pha lỗng trong khơng khí khơ với nồng độ 1,863% trong 5 phút ở các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trên Hình 3.12. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả hai cảm biến đều có độ đáp ứng cao nhất ở 280C và độ đáp ứng của cảm biến NiO(4min)/ZnO-H cao gấp1,6 lần so với cảm biến ZnO-H. So với cảm biến dựa trên cấu trúc ZnO-H, độ nhạy của cảm biến cấu trúc NiO(4min)/ZnO-H cao hơn ở các nhiệt độ làm việc 200C, 240C và 280C; tuy nhiên điều này lại ngược lại ở nhiệt độ 320C. Độ đáp ứng tăng lên khi bề mặt ZnO-H được biến tính bề mặt bởi các hạt nano NiO, điều này cho thấy vai trị tăng hiệu suất nhạy khí của các hạt nano NiO. Độ đáp ứng của các cảm biến ZnO-H và NiO(4min)/ZnO-H được thể hiện trong
Bảng 3.1:Độ đáp ứng của cảm biến khí dựa trên cấu trúc ZnO-H và NiO(4min)/ZnO-H với 1,863% acetone ở các nhiệt độ làm việc khác nhau.
Cấu trúc cảm biến
Nhiệt độ (C)
200 240 280 320
ZnO-H 1200 1500 10800 10400
NiO(4min)/ZnO-H 2400 3200 17400 8000
Hình 3.12: Độ hồi đáp của cảm biến khí dựa trên cấu trúc ZnO-H và NiO(4min)/ZnO-H với 1,863% acetone ở các nhiệt độ khác nhau.
Trong mơi trường khơng khí, các phân tử oxy hấp phụ trên mặt vật liệu nhạy khí cấu trúc phân nhánh ZnO, nhận điện tử từ vật liệu trở thành ion oxy. Trong vùng nhiệt độ được khảo sát (200oC – 320oC) oxy tồn tại ở dạng O- theo phương trình:
làm cho điện trở của ZnO-H tăng cao. Khi tiếp xúc với khí khử acetone, các phân tử acetone sẽ phản ứng với oxy hấp phụ trả lại điện tử cho ZnO-H làm điện trở của cảm biến giảm xuống.
(CH3)2CO(khí) + 8O-3CO2(hấp phụ) + 3H2O + 8e- (3.2)
Đối với cảm biến dựa trên cấu trúc NiO/ZnO-H, các hạt nano NiO có kích thước nhỏ phân bố rời rạc trên bề mặt của ZnO-H sẽ hình thành lớp tiếp giáp giữa ZnO bán dẫn loại n và NiO bán dẫn loại p đóng vai trị quan trọng trong việc tăng cường hoạt động nhạy khí [7]. Trong khơng khí khơ, vì mức năng lượng Fermi của ZnO cao hơn NiO nên khi hai ơ xít kim loại bán dẫn này tiếp xúc với nhau sẽ có sự dịch chuyển điện tử từ ZnO sang NiO và lỗ trống từ NiO sang ZnO cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, hình thành hàng rào thế. Đồng thời, các ion oxy hấp phụ trên bề mặt vật liệu sẽ hình thành một lớp suy giảm electron mở rộng và được mở rộng về phía ZnO làm điện trở của cảm biến dựa trên cấu trúc NiO/ZnO-H cao hơn so với cấu trúc ZnO-H. Trong mơi trường khí khử, các ion oxy hấp phụ trên bề mặt vật liệu sẽ phản ứng với acetone trả lại điện tử cho vùng dẫn làm thay đổi điện trở của cảm biến. Điện trở R của cảm biến được xác định bởi công thức R ~ Bexp(qθ)
kT (với B: hằng số liên quan đến nhiệt độ trung bình xung quanh, : là hàng rào thế, k: hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối) [7]. Khi có sự thay đổi rất nhỏ của hàng rào thế cũng dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ về độ dẫn của vật liệu. Vì vậy, độ đáp ứng của cảm biến dựa trên cấu trúc NiO(4min)/ZnO-H cao hơn.
Bên cạnh đó, hiệu suất nhạy hơi acetone tăng lên đối với cảm biến NiO/ZnO-H có thể là do hiệu ứng xúc tác của các hạt nano NiO làm tăng tốc độ phân hủy acetone sang một dạng khác dẫn đến gia tăng khả năng phản ứng trên bề mặt vật liệu. Tuy nhiên, điều này cần được nghiên cứu thêm.